Đồ án Tìm hiểu kỹ thuật truyền file multicast

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Tr•êng ®¹i häc d©n lËp h¶i phßng -------o0o------- TÌM HIỂU KỸ THUẬT TRUYỀN FILE MULTICAST ®å ¸n tèt nghiÖp ®¹i häc hÖ chÝnh quy NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thị Hằng Ngƣời hƣớng dẫn : Ths. Đỗ Xuân Toàn M· sè sinh viªn: 121175 H¶i Phßng - 2012 Tìm hiểu kỹ thuật truyền File Multicast Đồ án tốt nghiệp Sinh viên :Nguyễn Thị Hằng – Lớp : CT1201 2 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MULTICAST VÀ FTP ................................................................ 6 1.1. Tổng quan về Multicast .......................................................................................................... 6 1.1.1. Cơ chế truyền Multicast .................................................................................................. 6 1.1.2. Điều kiện cần có để truyền Multicast ............................................................................. 7 1.1.3. Địa chỉ Multicast ............................................................................................................ 7 1.1.4. IGMP .............................................................................................................................. 9 1.1.5. Định tuyến Multicast .................................................................................................... 14 1.1.6. Ứng dụng của Multicast .............................................................................................. 21 1.2. Giao thức truyền file FTP ................................................................................................... 22 1.2.1. Tổng quan FTP ............................................................................................................ 22 1.2.2. Các phƣơng thức truyền dữ liệu trong FTP .................................................................. 23 1.2.3. Ứng dụng của FTP ....................................................................................................... 24 1.2.4. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của FTP. ............................................................................... 25 CHƢƠNG 2 : UFTP - GIẢI PHÁP TRUYỀN FILE MULTICAST ............................................. 26 2.1. Tổng quan UFTP ................................................................................................................. 26 2.2. Mô tả giao thức UFTP ......................................................................................................... 26 2.2.1. Cơ chế làm việc ............................................................................................................ 28 2.2.2. Thông điệp.................................................................................................................... 31 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM................................................ 54 3.1. Mô tả chƣơng trình .............................................................................................................. 54 3.2.Thiết kế chƣơng trình ........................................................................................................... 54 3.3. Kết quả đạt đƣợc. ................................................................................................................ 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................. 60 Tìm hiểu kỹ thuật truyền File Multicast Đồ án tốt nghiệp Sinh viên :Nguyễn Thị Hằng – Lớp : CT1201 3 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Xuân Toàn giảng viên truờng Đại học dân lập Hải Phòng đã tận tình hƣớng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành bài báo cáo tốt nghiệp của mình. Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy, cô giáo khoa Công nghệ thông tin trƣờng Đại Học Dân Lập Hải Phòng đã nhiệt tình giảng dạy và cung cấp những kiến thức quý báu để em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Em xin cảm ơn tất cả các bạn đã động viên, góp ý và trao đổi hỗ trợ cho em trong suốt thời gian vừa qua. Và cuối cùng ,em kính chúc thầy cô sức khỏe, tiếp tục đạt đƣợc nhiều thành tích trong giảng dạy, cũng nhƣ trong nghiên cứu khoa học và trong sự nghiệp giáo dục. Vì thời gian tìm hiểu đồ án có hạn, trình độ bản thân còn nhiều hạn chế. Cho nên trong đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận đuợc đuợc sự đóng góp ý kiến quý báu của các thầy cô giáo cũng nhƣ các bạn để đề tài của em đuợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! Hải Phòng, tháng 7 năm 2012 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Hằng Tìm hiểu kỹ thuật truyền File Multicast Đồ án tốt nghiệp Sinh viên :Nguyễn Thị Hằng – Lớp : CT1201 4 LỜI MỞ ĐẦU Thế kỷ 21 đƣợc mệnh danh là thế kỷ của công nghệ thông tin, với sự bùng nổ mạnh mẽ về khoa học công nghệ. Đây là kỷ nguyên của nền văn minh dựa trên cơ sở công nghiệp trí tuệ. Ngày nay, tin học đã trở thành một môn khoa học quan trọng trên thế giới. Sự phát triển mạnh mẽ nhƣ vậy thì công việc lập trình các ứng dụng nhằm phục vụ nhu cầu, lợi ích của con ngƣời trở nên cấp thiết. Máy tính đã trở thành công cụ đắc lực và không thể thiếu của con ngƣời. Các tổ chức, công ty hay các cơ quan cần phải xây dựng luận văn – báo cáo – tiểu luận chuyên ngành xây dựng hệ thống mạng máy tính cho riêng mình để trao đổi dữ liệu giữa các bộ phận. Dữ liệu đƣợc truyền đi trên mạng phải đảm bảo : dữ liệu đƣợc chuyển tới đích nhanh chóng và chính xác. Hầu hết dữ liệu đƣợc truyền qua mạng là truyền dƣới dạng file. Trong thời gian gần đây Multicast ngày càng đƣợc chú ý nhiều hơn, chuẩn Multicast hỗ trợ hàng ngàn ngƣời có thể nhận thông tin đồng thời mà không ảnh hƣởng đến băng thông chung. Nếu các thiết bị mạng hỗ trợ Multicast, chỉ cần gửi một gói tin duy nhất vào mạng cho nhiều ngƣời nhận. Nhằm tìm hiểu thấu đáo một trong số các phƣơng pháp truyền file em chọn đề tài “Tìm hiểu kỹ thuật truyền file Multicast.”. Giải pháp truyền file Multicast –UFTP là giao thức truyền file dựa trên UDP đƣợc mã hóa theo cơ chế Multicast, đƣợc thiết kế an toàn, đáng tin cậy trong việc truyền file đến nhiều ngƣời nhận trong cùng một lúc. Với lập trình mã hóa Multicast dựa trên TLS với phần mở rộng cho phép nhiều ngƣời nhận có thể chia sẻ một khóa chung Mục tiêu của đồ án là tìm hiểu về Multicast và giao thức UFTP, trên cơ sở đó xây dựng ứng dụng truyền file sử dụng mã nguồn mở UFTP với ngôn ngữ lập trình C#. Đồ án trình bày gồm các chƣơng : Chƣơng 1: Tổng quan về Multicast và FTP. Chƣơng 2: Giải pháp truyền file Multicast. Chƣơng 3 : Xây dựng chƣơng trình thực nghiệm. Tìm hiểu kỹ thuật truyền File Multicast Đồ án tốt nghiệp Sinh viên :Nguyễn Thị Hằng – Lớp : CT1201 5 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT FTP File Transfer Protocol Phƣơng thức truyền file MAC Medium Access Control Address Địa chỉ thiết bị mạng UDP User Datagram Protocol Giao thức truyền vận TCP Transmission Control Protocol Giao thức truyền vận PIM Protocol Independent Multicast Giao thức định tuyến CGMP Cisco Group Membership Protocol Giao thức chuẩn của Cisco ARP Address Resolution Protocol Giao thức tìm địa chỉ OSPF Open Shortest Path First Giao thức định tuyến chuẩn Internet. Giao thức định tuyến dạng link-state NTP Network Time Protocol Giao thức đồng bộ thời gian IGMP Internet Group Management Protocol Giao thức quản lý nhóm Internet IGMP snooping Internet Group Membership Protocol Snooping Giao thức hoạt động trên switch để biết (học) về các cuộc truyền Multicast động. TTL Time To Live Thời gian sống RSA Thuật toán mật mã hóa khóa công khai Tìm hiểu kỹ thuật truyền File Multicast Đồ án tốt nghiệp Sinh viên :Nguyễn Thị Hằng – Lớp : CT1201 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MULTICAST VÀ FTP 1.1. Tổng quan về Multicast 1.1.1. Cơ chế truyền Multicast Unicast: Các gói tin đƣợc gửi từ một địa chỉ nguồn đến một địa chỉ đích. Một Router hoặc một thiết bị lớp 3 sẽ chuyển các gói tin bằng cách tìm địa chỉ đích trong bảng định tuyến. Nếu một thiết bị là L2, nó chỉ cần dựa và địa chỉ MAC. Broadcast: Các gói tin đƣợc gửi từ một máy nguồn đến một địa chỉ đích broadcast. Địa chỉ đích có thể là địa chỉ tất cả các host (255.255.255.255) hoặc là một phần của địa chỉ subnet. Một Router hoặc một L3 switch sẽ không cho phép chuyển các dữ liệu Broadcast này. Một thiết bị L2 sẽ cho phép phát tán lƣu lƣợng Broadcast ra tất cả các cổng của nó. Multicast: Các gói đƣợc gửi từ một địa chỉ nguồn đến một nhóm các máy tính. Địa chỉ đích tƣợng trƣng bằng các host muốn nhận traffic này. Mặc định, một Router hoặc một L3 switch sẽ không chuyển các gói tin này trừ khi phải cấu hình Multicast routing. Một thiết bị L2 switch không thể nhận biết đƣợc vị trí của địa chỉ Multicast đích. Tất cả các gói sẽ đƣợc phát tán ra tất cả các cổng ở chế độ mặc định. Có hai thái cực đƣợc mô tả ở đây. Cơ chế dùng Unicast thì dữ liệu sẽ đi từ host đến host, broadcast thì traffic sẽ đi đến tất cả các host trên phân đoạn mạng đó. Cơ chế Multicast sẽ nằm giữa hai thái cực này, trong đó máy nguồn chỉ gửi những gói tin từ một host đến các ngƣời dùng muốn nhận loại lƣu lƣợng đó. Nhóm này gọi là nhóm Multicast. Các máy nhận lƣu lƣợng Multicast có thể nằm ở bất cứ nơi nào chứ không chỉ trên phân đoạn mạng cục bộ. Các traffic dạng Multicast thƣờng là một chiều. Do có nhiều host nhận cùng một dữ liệu, nên thông thƣờng các gói tin không đƣợc phép gửi ngƣợc về máy nguồn trên cơ chế Multicast. Một host đích sẽ trả traffic ngƣợc về nguồn theo cơ chế Unicast. Cơ chế Multicast cũng sẽ đƣợc truyền theo kiểu phi kết nối. Multicast dùng UDP chứ không dùng TCP. Các host muốn nhận dữ liệu từ một nguồn Multicast có thể tham gia hoặc rời khỏi một nhóm Multicast ở bất kỳ thời điểm nào. Hơn nữa, một host sẽ quyết định có trở thành Tìm hiểu kỹ thuật truyền File Multicast Đồ án tốt nghiệp Sinh viên :Nguyễn Thị Hằng – Lớp : CT1201 7 thành viên của một hay nhiều nhóm Multicast hay không. Nguyên tắc cần quan tâm là sẽ hoạch định làm thế nào để phân phối các lƣu lƣợng Multicast đến các thành viên của nhóm mà không ảnh hƣởng đến các thành viên ngoài nhóm. Hình 1: Multicast Transmission Sends a Single Multicast Packet Addressed to All Intended Recipients 1.1.2. Điều kiện cần có để truyền Multicast Có ba yêu cầu cơ bản để có thể triển khai Multicast trên một mạng: - Phải có một tập hợp các địa chỉ dành cho các nhóm Multicast. - Phải có một cơ chế trong đó các host có thể tham gia và rời khởi nhóm. - Phải có một giao thức định tuyến cho phép các Router phân phối các lƣu lƣợng Multicast tới các thành viên của nhóm mà không làm quá tải tài nguyên mạng. 1.1.3. Địa chỉ Multicast Các Router và Switch phải có phƣơng thức để phân biệt traffic dạng Multicast với dạng Unicast hay Broadcast. Điều này thực hiện thông qua việc gán địa chỉ IP, bằng cách dùng địa chỉ lớp D từ 224.0.0.0 đến 239.255.255.255 chỉ cho Multicast. Các thiết bị mạng có thể nhanh chóng lọc ra các địa chỉ Multicast bằng cách đọc 4 bit bên trái của một địa chỉ. Bốn bit này của một địa chỉ Multicast luôn luôn bằng 1110. Không giống nhƣ dãy địa chỉ lớp A, B, và C, địa chỉ lớp D này không có quá trình Subnetting. Vì vậy có đến 228 địa chỉ nhóm Multicast đƣợc trích dẫn ra từ lớp D này. Tìm hiểu kỹ thuật truyền File Multicast Đồ án tốt nghiệp Sinh viên :Nguyễn Thị Hằng – Lớp : CT1201 8 Làm thế nào mà một Router và Switch kết hợp một địa chỉ Multicast của IP với một địa chỉ MAC. Do không có cơ chế tƣơng đƣơng với cơ chế ARP, một dạng giá trị đặc biệt dành riêng cho địa chỉ MAC của Multicast sẽ đƣợc dùng. Các địa chỉ này bắt đầu bằng 0100.5e. Phần 28 bit sau của địa chỉ IP Multicast sẽ đƣợc ánh xạ vào 23 bit thấp của địa chỉ MAC bằng một giải thuật đơn giản. Hình 2: Chuyển đổi IP sang MAC Hình trên cho thấy cơ chế ánh xạ địa chỉ. Chỉ có 23 bit cuối của địa chỉ là đƣợc chép từ địa chỉ IP sang địa chỉ MAC. Tuy nhiên chú ý rằng có 5 bit của địa chỉ IP không đƣợc chuyển sang địa chỉ MAC. Khả năng này làm cho nảy sinh một vấn đề là có thể có 32 địa chỉ Multicast khác nhau có thể ánh xạ vào cùng một địa chỉ MAC. Do sự nhập nhằng này, một host Multicast có một vấn đề nhỏ khi nó nhận một Ethernet frame của một địa chỉ Multicast. Một MAC có thể tƣơng ứng với 32 địa chỉ Multicast khác nhau. Vì vậy, khi một host phải nhận và kiểm tra tất cả các frame có MAC mà nó quan tâm. Sau đó host này phải kiểm tra phần địa chỉ IP bên trong mỗi frame để nhận ra phần địa chỉ của từng nhóm Multicast. Một vài không gian địa chỉ đƣợc dành riêng: Toàn bộ không gian địa chỉ Multicast:224.0.0.0 đến 239.255.255.255 - Địa chỉ link-local: 224.0.0.0 - 224.0.0.255 đƣợc dùng bởi các giao thức định tuyến. Router sẽ không chuyển các gói tin có địa chỉ này. Tìm hiểu kỹ thuật truyền File Multicast Đồ án tốt nghiệp Sinh viên :Nguyễn Thị Hằng – Lớp : CT1201 9 - Các địa chỉ bao gồm địa chỉ tất cả các host all-hosts 224.0.0.1 - Tất cả các Router 224.0.0.2. - Tất cả các OSPF Routers 224.0.0.5…224.0.1.1 dùng cho giao thức NTP. Đây là địa chỉ các nhóm cố định vì các địa chỉ này đƣợc định nghĩa trƣớc. - Địa chỉ GLOP trong tầm 233.0.0.0 - 233.255.255.255. - Tầm địa chỉ dành cho quản trị (239.0.0.0 - 239.255.255.255) đƣợc dùng trong các vùng Multicast riêng, giống nhƣ dãy địa chỉ dành riêng trong RFC1918. Địa chỉ này không đƣợc Router giữa các domain nên nó có thể đƣợc dùng lại nhiều lần. - Địa chỉ toàn cục (224.0.1.0-238.255.255.255) đƣợc dùng bởi bất cứ đối tƣợng nào. Các địa chỉ này có thể đƣợc định tuyến trên Internet, vì vậy địa chỉ này phải duy nhất. 1.1.4. IGMP Làm thế nào một Router biết đƣợc các máy cần nghe lƣu lƣợng Multicast? Để nhận lƣu lƣợng Multicast từ một nguồn, cả nguồn và các máy nhận đầu tiên phải gia nhập vào một nhóm Multicast. Nhóm này đƣợc xác định thông qua địa chỉ Multicast. Một host có thể tham gia vào một nhóm Multicast bằng cách gửi các yêu cầu đến Router gần nhất. Tác vụ này đƣợc thực hiện thông qua giao thức IGMP. IGMPv1 đƣợc định nghĩa trong RFC1112 và bản cải tiến của nó, IGMPv2 đƣợc định nghĩa trong RFC2236. Khi có vài host muốn tham gia vào nhóm, giao thức PIM sẽ thông báo cho nhau giữa các Router và hình thành nên cây Multicast giữa các Routers. IGMP và ICMP có nhiều điểm tƣơng đồng, cùng chia sẻ một vài chức năng tƣơng tự. IGMP cũng đóng gói trong gói tin IP (protocol number 2), nhƣng IGMP giới hạn chỉ trong một kết nối lớp 2. Để đảm bảo Router không bao giờ tiếp tục forward gói tin, trƣờng TTL của IGMP luôn có giá trị bằng 1. a. IGMPv1 Để tham gia vào một nhóm Multicast, một host sẽ gửi một thông điệp đăng ký tham gia vào nhóm đến Router cục bộ của nó. Thông điệp này có tên là Membership Tìm hiểu kỹ thuật truyền File Multicast Đồ án tốt nghiệp Sinh viên :Nguyễn Thị Hằng – Lớp : CT1201 10 Report IGMP. Thông điệp này sẽ thông báo cho Router về địa chỉ nhóm Multicast mà host muốn tham gia vào. Địa chỉ Multicast 224.0.0.1 all-hosts đƣợc dùng nhƣ địa chỉ đích. Trong thông điệp này có chứa địa chỉ nhóm Multicast. Cứ mỗi 60s, một Router trên mỗi phân đoạn mạng sẽ gửi truy vấn đến tất cả các host để kiểm tra xem các host này có còn quan tâm nhận lƣu lƣợng Multicast nữa không? Router này gọi là IGMPv1 Querier và chức năng của nó là mời các host tham gia vào nhóm. Nếu một host muốn tham gia vào một nhóm, hoặc nó muốn tiếp tục nhận lƣu lƣợng từ một nhóm mà nó đã tham gia, nó phải trả lời lại bằng thông điệp Membership- report. Các host có thể tham gia vào các nhóm Multicast ở bất kỳ thời điểm nào. Tuy nhiên IGMPv1 không có cơ chế để cho phép một host rời khỏi một nhóm nếu host đó không còn quan tâm đến nội dung của nhóm Multicast đó. Thay vào đó, Router sẽ kết luận là một cổng giao tiếp của nó không còn thuộc về một nhóm Multicast nào nếu Router không nhận đƣợc Membership-report trong ba chu kỳ truy vấn liên tiếp. Điều này có nghĩa là, ở chế độ mặc định, các lƣu lƣợng Multicast vẫn gửi vào một phân đoạn mạng trong ba chu kỳ truy vấn liên tiếp sau khi tất cả các thành viên của nhóm không còn lắng nghe lƣu lƣợng Multicast nữa. Ngoài ra, Router không có giữ một danh sách đầy đủ các host thành viên cho từng nhóm Multicast. Thay vào đó, nó cần phải lƣu những nhóm Multicast nào là đang tồn tại trên những cổng nào của nó. b. IGMPv2 IGMPv2 dùng ba loại thông điệp: - Membership report. - V1 membership report message - Leave group message. Membership report sẽ đƣợc gửi khi một host muốn tham gia một nhóm. Thỉnh thoảng, thông điệp loại này cũng đƣợc dùng để trả lời cho loại thông điệp truy vấn query từ Router. Khi một host muốn tham gia một nhóm, nó sẽ không chờ gói tin Query từ Tìm hiểu kỹ thuật truyền File Multicast Đồ án tốt nghiệp Sinh viên :Nguyễn Thị Hằng – Lớp : CT1201 11 Router. Thay vào đó, nó sẽ gửi Membership Report. Địa chỉ đích của Membership Report sẽ là địa chỉ đích của nhóm. Để đảm bảo rằng Router nhận đƣợc thông điệp này, host sẽ gửi vài message, cách nhau mỗi 10s. Phiên bản IGMPv2 giới thiệu vài sự khác biệt so với phiên bản đầu tiên. Các gói tin truy vấn bây giờ đƣợc gọi là General Queries. Các gói này có thể gửi tới địa chỉ all- hosts hoặc tới từng nhóm cụ thể. Một cải tiến khác nữa là các host đƣợc phép rời khỏi nhóm. Khi một host quyết định rời khỏi một nhóm nó đã tham gia, nó sẽ gửi thông điệp LeaveGroup đến địa chỉ all-Router 224.0.0.2. Tất cả các Router trên một phân đoạn mạng nội bộ sẽ lƣu ý thông điệp này và Router truy vấn sẽ tiếp tục quá trình. Router sẽ trả lời thông điệp trên bằng thông điệp truy cập gửi theo nhóm. Thông điệp này sẽ hỏi rằng có còn host nào muốn nhận traffic cho nhóm đó nữa không? Bất cứ host nào cũng phải trả lời lại bằng thông điệp membership report. Nếu khác đi, Router sẽ kết luận một cách an toàn là không cần thiết chuyển traffic cho nhóm đó trên phân đoạn mạng đó. Khoảng thời gian này mặc định là 3 phút. Nếu có nhiều Router trên cùng một kết nối, Router có IP address nhỏ nhất sẽ gửi ra gói tin query. Vì vậy, khi một Router nhận đƣợc một gói tin query từ một Router nào đó, nó sẽ kiểm tra địa chỉ nguồn của gói tin đó. Nếu địa chỉ nguồn của Router cục bộ nhỏ hơn địa chỉ nguồn trong gói tin vừa đến, Router sẽ vẫn tiếp tục gửi gói tin query vì nó biết rằng nó sẽ giữ vai trò query. Còn nếu địa chỉ nguồn của gói tin query là nhỏ hơn, Router sẽ từ bỏ vai trò truy vấn. c. Switching Multicast Traffic Các Router hoặc các MLS switch có thể xây dựng các cây Multicast và chuyển các gói tin đi một cách hiệu quả. Tuy nhiên ở lớp 2, một switch chỉ kiểm tra phần header của frame Ethernet để tìm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích. Các switch này không thể hoạt động „theo yêu cầu‟ giống nhƣ Router. Thông tin tốt nhất mà một switch biết đƣợc là địa chỉ Multicast đích và khi đó frame đó cần phải đƣợc phát tán ra tất cả các cổng của VLAN. Có hai phƣơng thức đƣợc Tìm hiểu kỹ thuật truyền File Multicast Đồ án tốt nghiệp Sinh viên :Nguyễn Thị Hằng – Lớp : CT1201 12 phát triển để cho phép các switch chuyển các gói tin Multicast một cách thông minh: dùng IGMP snooping và dùng CGMP. Một phƣơng thức đòi hỏi phần cứng mạnh, phƣơng thức kia thì học hỏi thông tin từ các Router láng giềng. d. IGMP Snooping Trong chế độ hoạt động bình thƣờng, một host muốn tham gia vào một nhóm Multicast phải liên lạc với một Router gateway để Router đƣa host đó vào nhóm Multicast. IGMP snooping cho phép một switch lắng nghe các thông điệp IGMP membership report này sao cho nó có thể tìm ra host nào đang yêu cầu nhóm nào. Để tham gia vào một nhóm, một host phải gửi các thông điệp Multicast membership report về chính địa chỉ Multicast của nhóm đó. Một switch L2 phải lắng nghe đến tất cả các Multicast frame để tìm ra thông tin IGMP. Đây rõ ràng là một gán